草坪灌溉與排水 第四章

1、 l教學(xué)內(nèi)容： l第一節(jié) 灌溉水力學(xué)基礎(chǔ) l第二節(jié) 水頭損失的概念及分類 l第三節(jié) 水頭損失的計算 l第四節(jié) 灌溉管網(wǎng)水力設(shè)計 第四章第四章 管道水力學(xué)原理管道水力學(xué)原理 l教學(xué)要求：教學(xué)要求： l1、了解、了解灌溉水力學(xué)基礎(chǔ) 知識 l2、掌握、掌握水頭損失的概念及分類 l3、能夠進(jìn)行、能夠進(jìn)行水頭損失的計算 l4、掌握、掌握灌溉管網(wǎng)水力設(shè)計 第一節(jié)第一節(jié) 灌溉水力學(xué)基礎(chǔ)灌溉水力學(xué)基礎(chǔ) l水力學(xué)是研究液體特性（靜止和運動狀態(tài)）的一門學(xué)水力學(xué)是研究液體特性（靜止和運動狀態(tài)）的一門學(xué) 科。依據(jù)水力學(xué)知識設(shè)計的管網(wǎng)，可以大大減少灌溉科。依據(jù)水力學(xué)知識設(shè)計的管網(wǎng)，可以大大減少灌溉 系統(tǒng)的投資和在運行過

2、程中的維護(hù)保養(yǎng)費用。通過控系統(tǒng)的投資和在運行過程中的維護(hù)保養(yǎng)費用。通過控 制水的流速，可以減少水流在管網(wǎng)系統(tǒng)中的壓力水頭制水的流速，可以減少水流在管網(wǎng)系統(tǒng)中的壓力水頭 耗損。而不符合水力學(xué)特性的設(shè)計，會使噴灌系統(tǒng)的耗損。而不符合水力學(xué)特性的設(shè)計，會使噴灌系統(tǒng)的 灌水質(zhì)量降低、工程費用偏大和浪費水資源，并有可灌水質(zhì)量降低、工程費用偏大和浪費水資源，并有可 能使管受力過大能使管受力過大,甚至導(dǎo)致管道破裂。因此管網(wǎng)水力學(xué)甚至導(dǎo)致管道破裂。因此管網(wǎng)水力學(xué) 分析對于減少工程造價、提高灌溉效率和灌溉質(zhì)量等分析對于減少工程造價、提高灌溉效率和灌溉質(zhì)量等 都具有很重要的作用。都具有很重要的作用。 l一一 靜水

3、壓力靜水壓力 l靜水壓力是指水不流動的封閉系統(tǒng)中水的壓力。一條充靜水壓力是指水不流動的封閉系統(tǒng)中水的壓力。一條充 滿水的管子，閥門全部關(guān)閉，系統(tǒng)中的壓力即靜水壓力，滿水的管子，閥門全部關(guān)閉，系統(tǒng)中的壓力即靜水壓力， 靜水壓力是一個系統(tǒng)所能獲得的最大的壓力。靜水壓力是一個系統(tǒng)所能獲得的最大的壓力。 l1 升水重升水重1 kg，即水的比重為，即水的比重為1000 kg/m3。在重力作用下，。在重力作用下， 水總是由高處流向低處，一個重要的概念就是水壓力（也水總是由高處流向低處，一個重要的概念就是水壓力（也 稱水頭），它是指水對單位面積上作用力的大小。稱水頭），它是指水對單位面積上作用力的大小。 l

4、式中，式中，P水壓力（水壓力（kPa）；）；F作用力（作用力（N N=mg g=9.8N/kg）；）；A面積（面積（m2）。）。 l其計其計算公式如下算公式如下: l這種水壓力是由被測點以上水的重量所產(chǎn)生的。假這種水壓力是由被測點以上水的重量所產(chǎn)生的。假 設(shè)有設(shè)有10cm2的面積，該面積上作用力的大小，簡單地的面積，該面積上作用力的大小，簡單地 說就是它上面的水柱的重量。水柱重量越大，作用力說就是它上面的水柱的重量。水柱重量越大，作用力 越大，水壓力也就越大。底面積為越大，水壓力也就越大。底面積為0.01m2的柱狀容器的柱狀容器 充充0.3米高的水后，容器底部水壓力為：米高的水后，容器底部水壓

5、力為： lP=W/A=(1000kg/m3*0.3 m) / (0.01 m2)=30000 kg/m2 = 294000 N/ m2 = 294 kPa 因此，水壓力還可用因此，水壓力還可用“水頭高度水頭高度”或簡稱或簡稱“水頭水頭” 來表示。壓力與水頭之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系為：來表示。壓力與水頭之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系為：1m水頭水頭 =10kPa。 l l二二 動水壓力動水壓力 l動水壓力，即水流流動狀態(tài)下管道內(nèi)的水壓力，磨動水壓力，即水流流動狀態(tài)下管道內(nèi)的水壓力，磨 擦損失和高程變化都會使系統(tǒng)內(nèi)的動水壓力變化。擦損失和高程變化都會使系統(tǒng)內(nèi)的動水壓力變化。 l水在管道中流動時，水與管壁由于摩擦而產(chǎn)

6、生壓力損水在管道中流動時，水與管壁由于摩擦而產(chǎn)生壓力損 失，另外，連接件、閥門、水表和逆止閥等對水的流失，另外，連接件、閥門、水表和逆止閥等對水的流 動都有阻力，這些阻力也會產(chǎn)生壓力損失，使管道內(nèi)動都有阻力，這些阻力也會產(chǎn)生壓力損失，使管道內(nèi) 水壓力減低。水壓力減低。 l通過管道系統(tǒng)的水流大小影響摩擦損失的大小，即通通過管道系統(tǒng)的水流大小影響摩擦損失的大小，即通 過系統(tǒng)的水流越多，流速越大，壓力損失越大。另外過系統(tǒng)的水流越多，流速越大，壓力損失越大。另外 管道的大小尺寸也影響壓力損失。壓力損失或水頭損管道的大小尺寸也影響壓力損失。壓力損失或水頭損 失可以根據(jù)經(jīng)驗公式計算，也可以查表得到。失可以

7、根據(jù)經(jīng)驗公式計算，也可以查表得到。 l水流通過管道的速度快，除摩擦損失大外，大的水流水流通過管道的速度快，除摩擦損失大外，大的水流 速度還會引起一些其他問題。因此管道中的流速不能速度還會引起一些其他問題。因此管道中的流速不能 過大，根據(jù)經(jīng)驗，噴灌管道中可接受的最大流速為過大，根據(jù)經(jīng)驗，噴灌管道中可接受的最大流速為1.5 m/s。流速超過。流速超過1.5m/s時，其壓力損失會急劇增大。時，其壓力損失會急劇增大。 l三三 管道摩擦損失管道摩擦損失 l影響管道摩擦損失的因素影響管道摩擦損失的因素 l流量流量 l管道的直徑與局部變化管道的直徑與局部變化 l管道長度管道長度 l管道材質(zhì)管道材質(zhì) 第二節(jié)第

8、二節(jié) 水頭損失的概念及分類水頭損失的概念及分類 水壓力水壓力P P在給水管上任意點安裝壓力表，所測得的讀在給水管上任意點安裝壓力表，所測得的讀 數(shù)，即為該點的水壓力值，（數(shù)，即為該點的水壓力值，（kg/cmkg/cm2 2或或N N、KNKN、mHmH2 2O O）。）。 為了便于計算，也把水壓稱為為了便于計算，也把水壓稱為“水柱高水柱高”，力學(xué)上又，力學(xué)上又 稱稱“水頭水頭”，其單位換算關(guān)系為，其單位換算關(guān)系為1kg/cm1kg/cm2 2=10m=10m水頭水頭 =100Kpa=100Kpa。 水頭損失水頭損失水流經(jīng)過管道過程中機械能的損失水流經(jīng)過管道過程中機械能的損失 。 其值可用壓力表

9、測得的兩點壓力差來確定。其值可用壓力表測得的兩點壓力差來確定。 理想液體：理想液體： 運動時沒有相對運動，流速是均勻分布，無流速運動時沒有相對運動，流速是均勻分布，無流速 梯度和粘性切應(yīng)力，因而，也不存在能量損失梯度和粘性切應(yīng)力，因而，也不存在能量損失 。 流線流線流速分布流速分布 u(y) 實際液體實際液體: 其有粘性，過水?dāng)嗝嫔狭魉俜植疾痪鶆颉Ｒ虼?，相鄰液其有粘性，過水?dāng)嗝嫔狭魉俜植疾痪鶆?。因此，相鄰?層間有相對運動，兩流層間存在內(nèi)摩擦力。液體運動中，要層間有相對運動，兩流層間存在內(nèi)摩擦力。液體運動中，要 克服摩擦阻力（水流阻力）做功，消耗一部分液流機械能，克服摩擦阻力（水流阻力）做功，

10、消耗一部分液流機械能， 轉(zhuǎn)化為熱能而散失。轉(zhuǎn)化為熱能而散失。 流速分布流速分布 切應(yīng)力分布切應(yīng)力分布 u y 水頭損失產(chǎn)生的原因水頭損失產(chǎn)生的原因 產(chǎn)生水頭損失的根源是實際液體本身具有產(chǎn)生水頭損失的根源是實際液體本身具有粘滯性粘滯性， 而固體邊界的幾何條件（輪廓形狀和大?。λ^損失而固體邊界的幾何條件（輪廓形狀和大?。λ^損失 也有很大的影響。也有很大的影響。 流體在受到外部流體在受到外部剪切力剪切力作用時發(fā)生變形作用時發(fā)生變形(流動流動)，內(nèi)部，內(nèi)部 相應(yīng)要產(chǎn)生對變形的抵抗，并以內(nèi)摩擦的形式表現(xiàn)出來。相應(yīng)要產(chǎn)生對變形的抵抗，并以內(nèi)摩擦的形式表現(xiàn)出來。 所有流體在有相對運動時都要產(chǎn)生內(nèi)摩擦

11、力，這是流體所有流體在有相對運動時都要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這是流體 的一種固有物理屬性，稱為流體的的一種固有物理屬性，稱為流體的粘滯性粘滯性或或粘性粘性。 用單位重量液體的能量損失用單位重量液體的能量損失 hw 表示水流的能量損失表示水流的能量損失 水頭損失（依據(jù)邊界條件以及作用范圍）水頭損失（依據(jù)邊界條件以及作用范圍） 水頭損失水頭損失 沿程損失沿程損失 hf 局部損失局部損失 hj jfw hhh 沿程水頭損失沿程水頭損失hf hf s 在在平直的固體邊界平直的固體邊界水道中，單位重量的液體從水道中，單位重量的液體從 一個斷面流至另一個斷面的機械能損失。一個斷面流至另一個斷面的機械能損失。 這種

12、水頭這種水頭 損失隨沿程長度增加而增加，稱損失隨沿程長度增加而增加，稱沿程水頭損失。沿程水頭損失。 發(fā)生在管道均勻流的直線段。發(fā)生在管道均勻流的直線段。 當(dāng)液體運動時，由于局部邊界形狀和大小的當(dāng)液體運動時，由于局部邊界形狀和大小的 改變、局部障礙，液體產(chǎn)生漩渦，使得液體在局改變、局部障礙，液體產(chǎn)生漩渦，使得液體在局 部范圍內(nèi)產(chǎn)生了較大的能量損失，這種能量損失部范圍內(nèi)產(chǎn)生了較大的能量損失，這種能量損失 稱作稱作局部水頭損失局部水頭損失。 發(fā)生在水流邊界突然發(fā)生變化的流段。發(fā)生在水流邊界突然發(fā)生變化的流段。 局部水頭損失局部水頭損失 突然管道縮小突然管道縮小 漩渦區(qū)漩渦區(qū) 管道中的閘門局部開啟管道

13、中的閘門局部開啟 漩渦區(qū)漩渦區(qū) 產(chǎn)生漩渦的局部范圍產(chǎn)生漩渦的局部范圍 局部水頭損失局部水頭損失 沿程水頭損失沿程水頭損失 hf s 發(fā)生發(fā)生 邊界邊界 平直的固體邊界水道中平直的固體邊界水道中 大小大小 與漩渦尺度、強度與漩渦尺度、強度, 邊界形邊界形 狀等因素相關(guān)狀等因素相關(guān) 耗能耗能 方式方式通過液體粘性將其能量耗散通過液體粘性將其能量耗散 外在外在 原因原因 液體運動的摩擦阻力液體運動的摩擦阻力 邊界層分離或形狀阻力邊界層分離或形狀阻力 水頭損失水頭損失 沿程損失沿程損失 hf 局部損失局部損失 hj jfw hhh 液體在以下管道時的沿程損失包括四段：液體在以下管道時的沿程損失包括四段

14、： hf 1hf 2 hf 3 hf 4 液體經(jīng)過時的局部損失包括五段：液體經(jīng)過時的局部損失包括五段： 進(jìn)口、突然放大、突然縮小、彎管和閘門。進(jìn)口、突然放大、突然縮小、彎管和閘門。 進(jìn)口進(jìn)口突然放大突然放大突然縮小突然縮小 彎管彎管 閘門閘門 第三節(jié)第三節(jié) 水頭損失的計算水頭損失的計算 l水頭損失的計算水頭損失的計算 l總水頭損失：總水頭損失： l式中，式中， 全流程中各沿程水頭損失的總和全流程中各沿程水頭損失的總和 l l 全流程中各邊界突變點局部水全流程中各邊界突變點局部水 頭損失的總和頭損失的總和 wfj hhh f h j h l灌溉中管道沿程水頭損失的理論公式：灌溉中管道沿程水頭損失

15、的理論公式： l（達(dá)西（達(dá)西-威斯巴赫公式）威斯巴赫公式） l式中，式中，f沿程阻力系數(shù)（又稱沿程水頭損失系數(shù)與沿程阻力系數(shù)（又稱沿程水頭損失系數(shù)與 流態(tài)和管壁粗糙程度有關(guān)）流態(tài)和管壁粗糙程度有關(guān)） l L管道長度（指同一管徑的管段）管道長度（指同一管徑的管段） l D管道內(nèi)徑管道內(nèi)徑 l 流速水頭（具有長度單位）流速水頭（具有長度單位） 2 2 f L v hf Dg 2 2 v g l灌溉中管道沿程水頭損失的灌溉中管道沿程水頭損失的經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式 l式中，式中，hf沿程水頭損失，沿程水頭損失，m； l f摩阻系數(shù)，摩阻系數(shù)，查表得到查表得到； l L管長，管長，m； l Q流量，流量，m

16、3/h； l d管內(nèi)徑，管內(nèi)徑，mm； l m流量指數(shù)，流量指數(shù)，查表得到查表得到； l b管徑指數(shù)，管徑指數(shù)，查表得到查表得到。 l上述：上述：f, m, b 值可從有關(guān)表中查得。值可從有關(guān)表中查得。 m f b LQ hf d l局部水頭損失計算局部水頭損失計算：公式：公式 l式中式中 hj局部水頭損失，局部水頭損失， m； lk局部阻力系數(shù)；局部阻力系數(shù)； l 流速水頭；流速水頭； lv管道流速管道流速,m/s； lg重力加速度，重力加速度，9.81 m/s2 l可按沿程水頭損失的可按沿程水頭損失的10計計。 2 2 j v hk g 2 2 v g 各種管材的各種管材的 f、m 及及

17、b 值表值表 管材管材 fmb 混凝土管、鋼筋混凝土管混凝土管、鋼筋混凝土管 n=0.013 n=0.014 n=0.015 n=0.017 1.312106 1.516106 1.749106 2.240106 2 2 2 2 5.33 5.33 5.33 5.33 鋼管、鑄鐵管鋼管、鑄鐵管 硬塑料管硬塑料管 鋁管、鋁合金管鋁管、鋁合金管 石棉水泥管石棉水泥管 6.25105 0.948105 0.816105 0.455105 1.9 1.77 1.74 1.85 5.1 4.77 4.74 4.89 注：注：n 為粗糙系數(shù)。為粗糙系數(shù)。 l對于對于硬質(zhì)塑料管道硬質(zhì)塑料管道（PVC），目前

18、常用的計算），目前常用的計算 公式如下：公式如下： 第四節(jié)第四節(jié) 灌溉管網(wǎng)灌溉管網(wǎng)水力水力設(shè)計設(shè)計 l一一 灌溉支管水力設(shè)計灌溉支管水力設(shè)計 l噴灌支管是指帶有噴頭的最末一級管道，并且是多口噴灌支管是指帶有噴頭的最末一級管道，并且是多口 出流管。出流管。 l1、多口管沿程水頭損失的計算、多口管沿程水頭損失的計算 l 一般計算方法：一般計算方法： wfjfiji HHHhh l 簡易計算方法：噴灌支管的特點：每隔固定間距，就有一簡易計算方法：噴灌支管的特點：每隔固定間距，就有一 個噴頭分流，每個噴頭分流量或噴頭出水量近似相等。個噴頭分流，每個噴頭分流量或噴頭出水量近似相等。 l這種等間距、等流量

19、分流的管稱為多口出流管，有一種簡便這種等間距、等流量分流的管稱為多口出流管，有一種簡便 計算沿程總水頭損失的方法計算沿程總水頭損失的方法 l多口管沿程水頭損失的計算多口管沿程水頭損失的計算 l其方法為：首先根據(jù)管首流量計算沿程流量不變時（不考慮其方法為：首先根據(jù)管首流量計算沿程流量不變時（不考慮 分流）的水頭損失分流）的水頭損失hf，然后再乘以一個小于，然后再乘以一個小于1的折減系數(shù)的折減系數(shù) （多口系數(shù)）（多口系數(shù)）F l即得多口管的沿程水頭損失：即得多口管的沿程水頭損失： ff HF h l多口系數(shù)多口系數(shù)F計算方法：多口系數(shù)計算方法：多口系數(shù)F與出流孔數(shù)目，孔口與出流孔數(shù)目，孔口 位置及

20、流量指數(shù)等有關(guān)，其計算公式為：位置及流量指數(shù)等有關(guān)，其計算公式為： l式中：式中：m流量指數(shù)（與材質(zhì)有關(guān)）流量指數(shù)（與材質(zhì)有關(guān)） lN管上出水口總數(shù)（或噴頭總數(shù)）管上出水口總數(shù)（或噴頭總數(shù)） lX多孔支管首孔位置系數(shù)，即支管入口至第一個多孔支管首孔位置系數(shù)，即支管入口至第一個 噴頭（或孔口）的距離與噴頭（或孔口）間距之比；噴頭（或孔口）的距離與噴頭（或孔口）間距之比； l即：即： F1X=1時的多口系數(shù)時的多口系數(shù) 1 1 1 N FX F NX 1 2 111 126 m F mNN 多口系數(shù)已制成表，不必計算，可直接查取多口系數(shù)已制成表，不必計算，可直接查取 l2、支管進(jìn)口水頭計算、支管進(jìn)

21、口水頭計算 l 平均壓力或平均流量所處的位置在：距離支管進(jìn)平均壓力或平均流量所處的位置在：距離支管進(jìn) 口口0.4L處，此處的水頭損失為處，此處的水頭損失為3/4Hf要求此處的壓要求此處的壓 噴頭的工作壓力噴頭的工作壓力 l 支管進(jìn)口水頭支管進(jìn)口水頭H0H噴頭設(shè)計壓力 噴頭設(shè)計壓力 H豎管高度 豎管高度 3/4Hf l3、20% 規(guī)則規(guī)則 l 支管設(shè)計主要的設(shè)計任務(wù)是限制噴頭間的流量偏差，支管設(shè)計主要的設(shè)計任務(wù)是限制噴頭間的流量偏差， 獲得滿意的均勻度和灌水效率。獲得滿意的均勻度和灌水效率。 l 一般原則為：控制同一支管上任意兩個噴頭的噴水量一般原則為：控制同一支管上任意兩個噴頭的噴水量 之差在

22、之差在10以內(nèi)。此原則也等同于：控制支管上任意以內(nèi)。此原則也等同于：控制支管上任意 兩個噴頭的工作壓力水頭之差不超過頭設(shè)計工作壓力兩個噴頭的工作壓力水頭之差不超過頭設(shè)計工作壓力 水頭的水頭的20%，此即為，此即為20%規(guī)則規(guī)則。 l 例題：例題： l已知：噴頭流量已知：噴頭流量q=3.2m3/h, 噴頭個數(shù)噴頭個數(shù)8，噴，噴 頭間距頭間距18米，豎管高度米，豎管高度1米，噴頭工作壓米，噴頭工作壓 力力350kPa，平地，支管采用，平地，支管采用PVC管，試分別管，試分別 計算：計算：1）支管允許的最大壓力差；）支管允許的最大壓力差；2）當(dāng)支管）當(dāng)支管 管徑采用管徑采用D163mm和和D2=50

23、mm時的支管水時的支管水 頭損失和支管進(jìn)口水頭。頭損失和支管進(jìn)口水頭。 l解：解： la、當(dāng)當(dāng)D50mm時（內(nèi)徑時（內(nèi)徑46mm） l無旁孔出流時的水頭損失：無旁孔出流時的水頭損失： lhf1=1.1 fLQmdb1.1 0.948105(718+9) (3.28)1.77464.7751.3 m l多孔出流時的水頭損失：多孔出流時的水頭損失：Hfhf1F51.30.387 19.8 m l支管進(jìn)口水頭：支管進(jìn)口水頭：H0H噴頭設(shè)計壓力 噴頭設(shè)計壓力 H豎管高度 豎管高度 34Hf 35m1m34 19.8 m0=50.85 m lb、當(dāng)當(dāng)D63mm時（內(nèi)徑時（內(nèi)徑58mm） l無旁孔出流時的

24、水頭損失：無旁孔出流時的水頭損失： lhf2=1.1 fLQmdb1.1 0.948105(718+9) (3.28)1.77584.7716.9 m l多孔出流時的水頭損失：多孔出流時的水頭損失：Hfhf2F19.60.387 6.55 m l支管進(jìn)口水頭：支管進(jìn)口水頭：H0H噴頭設(shè)計壓力 噴頭設(shè)計壓力 H豎管高度 豎管高度 34Hf 35m1m34 6.55 m040.91 m l支管的水力計算往往是一個反復(fù)的過程。在噴頭選型、支管的水力計算往往是一個反復(fù)的過程。在噴頭選型、 布置和支管長度確定后，水力計算的基本流程為：布置和支管長度確定后，水力計算的基本流程為：計計 算支管流量算支管流量初設(shè)管徑初設(shè)管徑計算水頭損失計